Når en tumor har formået at indlejre sig i en levende organismes hjerne, har den gjort det særligt listigt - set fra tumorens perspektiv. Den har nemlig gemt sig bag en af de mest magtfulde barrierer, hvormed kroppen beskytter sine vigtigste organer: blod-hjerne-barrieren, et meget selektivt filter, der kun tillader udvalgte stoffer at passere. De fleste lægemidler gør ikke det.
For medicin er det derfor en stor udfordring at finde en effektiv kemoterapi mod hjernetumorer.
I de senere år har den medicinske forskning fundet en lovende allieret: nanoteknologi. Materialer i nanoskala kan i billedlig forstand antage rollen som postbude, der leverer aktive stoffer til den ønskede adresse. Da nanopartikler er ufatteligt små - omkring 500 gange mindre end diameteren af et menneskehår - formår nogle af dem at passere kroppens beskyttelsesbarrierer uden at skade dem. For at blive i hjernetumor-eksemplet: Nanopartikler kunne derfor transportere kemoterapeutiske midler gennem blod-hjerne-barrieren til hjernen, hvor de kan bekæmpe hjernetumoren.
Søgning efter det
passende nanomateriale
Nanopartikler skal imidlertid have helt specifikke egenskaber afhængigt af den opgave, de skal
udføre: Afhængigt af form, materialekomposition og størrelse fordeler de sig forskelligt i kroppen og
ophobes i forskellige organer. Det er derfor nødvendigt at finde ud af, hvilke partikler udfører deres
opgave bedst muligt og forårsager mindst mulig skade.
Hidtil har forskere brugt dyremodeller, for det meste mus, til at forfølge disse spørgsmål: De administrerede forskellige nanomaterialer til musene og undersøgte derefter, hvordan de fordelte sig i musekroppen og hvilke bivirkninger de havde. Disse dyrestudier er dog ikke kun krævende, tidskrævende og dyre, men også etisk problematiske. Det schweiziske dyreværnslov kræver med rette at begrænse antallet af dyreforsøg til det nødvendige minimum.
AI-mus med afgørende fordel
Derfor har Empa-forskeren Jimeng Wu, doktorand i afdelingerne 'Nanomaterials in Health' og
'Technology and Society', udviklet en virtuel mus, hvorpå disse tests kan udføres meget mere
tidsbesparende ved hjælp af AI. For denne såkaldte fysiologisk baserede farmakokinetiske model
(PBPK-model) har Wu brugt 18 musestudier som grundlag, altså data fra forsøg udført af forskellige
forskningsteams på 'rigtige' mus. Supplerende har hun integreret en statistisk metode, den
bayesianske analyse med Markov kæde Monte Carlo-simuleringer i sin model.
Resultatet er en virtuel mus, som man også kan administrere virtuelle nanopartikler. Derefter beregner modellen deres fordeling i musekroppen baseret på deres egenskaber såsom størrelse, belægning og overfladeladning. Sammenlignet med en traditionel PBPK-model, som kun er kalibreret for et enkelt stof ad gangen, har Wus AI-mus en afgørende fordel: 'Modellen kan tilpasse sine parametre til de målbare egenskaber for den respektive nanopartikel', forklarer Jimeng Wu. Dette værktøj skylder sin evne til 'multivariant lineær regressionsmodel', en tilgang til maskinlæring.
Bidrag til 'Safe
and Sustainable by Design'
'Dette AI-understøttede screening-instrument tillader forskere at teste virtuelt, hvilken type
nanopartikler der er bedst egnet til en bestemt opgave, før de overhovedet fremstiller disse partikler',
fortsætter Jimeng Wu. Det sparer ikke kun tid, men også omkostninger, fordi det giver en
beslutningsstøtte, inden en kostbar klinisk undersøgelse startes.
'Dermed bidrager modellen til konceptet om 'Safe and Sustainable by Design' (SSbD)', tilføjer Peter Wick, der vejleder Jimeng Wu sammen med sin kollega Bernd Nowack under sin doktorgrad. For den virtuelle mus øger sikkerheden af nye materialer eller terapier allerede inden deres udvikling. Imidlertid påpeger Empa- forskeren, at det datasæt, som modellen hidtil er trænet med, stadig er meget lille: Indtil nu var der kun 18 'peer-reviewed papers' tilgængelige, hvis datakvalitet var tilstrækkelig. 'I mange studier bliver de anvendte nanopartiklers egenskaber ikke tilstrækkeligt beskrevet', bemærker han. Nu er det nødvendigt at fodre og verificere den virtuelle mus med yderligere studiedata for at øge pålideligheden af forudsigelserne. 'Vores fjernmål er at forkorte processen med udvikling af nanomedicinske materialer til deres anvendelse som medicin til patienten og samtidig så vidt muligt kunne undvære dyreforsøg', understreger han.
At gøre modellen brugbar for menneskelig
forskning
Jimeng Wus fremtidige forskningsarbejde vil også fokusere på en såkaldt 'brostrategi' for at overføre
princippet for hendes in silico-model til menneskelig forskning. For dette planlægger hun at indlejre
principperne for den virtuelle mus i en menneskelig PBPK-model. I modsætning til hendes AI-mus,
der kun beregner fordelingen af nanopartikler i lever, nyrer, lunger og milt, kunne en menneskelig in
silico-model også anvendes til at undersøge følsomme målorganer - for eksempel for at undersøge, i
hvilket omfang bestemte nanopartikler kan overvinde blod-hjerne-barrieren. Også den omtalte
hjernetumor i begyndelsen bør ikke længere føle sig sikker bag denne barriere - nanopartikler kunne i
rollen som 'postbude' bringe det en pakke med en målrettet dosis kemoterapi.
Mediekontakt:
Mirjam Schwaller
Kommunikation
Tel. +41 58 765 4386
redaktion@empa.ch